Hva er mekanisk testing?
Mekanisk testing tar sikte på å beskrive oppførselen til forskjellige materialer eller komponenter, f.eks. sprøyter, fjærer, mikromotorer eller mikrotråder under spesifikke belastningsforhold. Den gir informasjon om forholdet mellom krefter og deformasjonen som følger av de kreftene som virker på komponentene.
Det finnes mange standardiserte mekaniske testmetoder. De mest brukte er: strekktesting, kompresjonstesting, bøyetesting, avskallingstesting, skjærtesting, rivetesting, utmattelsestesting, kryptesting og friksjonstesting.
Universelle testmaskiner
En Universal Testing Machine (UTM) er en enhet designet for å teste de mekaniske egenskapene til materialer, komponenter og produkter. Den kan utføre mange av de nevnte standardiserte mekaniske testmetodene. Denne allsidigheten er grunnen til at den blir referert til som "universell".
De fleste deler og komponenter i forskjellige størrelsesskalaer kan testes i universelle testmaskiner så lenge kraften/momentet og avbøyningen som er nødvendig for den respektive testen kan oppnås i instrumentet og komponenten kan festes ordentlig.
UTM-er brukes i mange bransjer (f.eks. bilindustri, romfart, elektronikk, emballasje og biomedisin) for å sikre at materialer og sluttprodukter oppfyller de nødvendige spesifikasjonene. De følger vanligvis en rekke standarder (ISO, ASTM …) slik at det oppnås konsistens mellom testresultater, også angående enheter fra forskjellige produsenter, og slik at de kan brukes i flere stadier av produktutviklingen.
Hva kan UTM-tester fortelle oss?
UTM-er kan hjelpe til med å analysere forskjellige mekaniske egenskaper til materialer eller komponenter. Utgangsverdier er f.eks. Young's Modulus, flytegrense, bøyemodul, maksimal strekkstyrke, styrken til en limbinding og mange flere, avhengig av materialet eller delen. De brukes derfor til å svare på spørsmål som for eksempel "Hvor sterk og stiv er prøven min?", "Hvor mye kan prøven min forlenges eller strekkes?" eller "Hvor mye kan prøven min komprimeres eller bøyes før den går i stykker?" De viktige dataene fra svarene brukes av ingeniører innen FoU og QC. Selv om UTM-er ofte brukes til testing av robuste komponenter i stor skala, er de ikke begrenset til bruk med høy kraft/høyt dreiemoment. Mens klassiske UTM-er kan oppnå krefter på opptil 5000 kN avhengig av modell, kan småskala, myke eller skjøre deler også karakteriseres,
Viktige termer og variabler: (flere mulig)
| Begrep | Symbol |
| Youngs modul | E |
| Skjærmodul | G |
| Poissons forhold | ν |
| Ekstensjonsviskositet | η E |
| Bøyemodul | E Flex |
| Bulk (kompresjon) modul | K |
| Teknisk belastning |  |
| Teknisk stress |  |
| Normal kraft | F N |
| Dreiemoment | M |
| Forskyvning | s |
| Avbøyningsvinkel | φ |
Hvordan fungerer mekanisk testing med UTM-er?
En prøve av materialet eller en komponent plasseres i UTM og holdes av grep eller spesielle inventar. Prøven blir deretter utsatt for en kraft eller dreiemoment (spenning), og den resulterende deformasjonen eller avbøyningen (tøyningen) måles eller omvendt. Ettersom dimensjonene til prøven er kjent, kan spenning-tøyningskurver genereres fra de registrerte kreftene og deformasjonen, som igjen tillater forutsigelse av materialenes eller komponentenes oppførsel under driftsforhold.
Mekanisk testing av små komponenter
UTM-er brukes ofte for applikasjoner med høy kraft/høyt dreiemoment. Konvensjonelle UTM-er gir ikke passende armaturer, forhåndsinnstillinger for dreiemoment/kraft er ikke presise nok, og sensorer mangler den nødvendige følsomheten for å levere nyttige data fra måling av deler og komponenter i svært liten skala. Det er et økende behov for å teste mindre og mykere enheter og materialer, men for de fleste av disse applikasjonene finnes det ingen kommersielle instrumenter, og forskere må derfor stole på selvlagde løsninger for å karakterisere komponentene deres.
Ved å kombinere tradisjonelle mekaniske testmetoder med et reometeroppsett utnyttes den høye nøyaktigheten til den optiske koderen og den utmerkede dreiemomentoppløsningen til EC-stasjonen for å tillate måling av selv de minste dreiemomentene og avbøyningene. På grunn av løftedriften og muligheten for bruk av en ekstra nedre lineærdrift, er den også i stand til å måle små normale belastninger og forskyvninger. I kombinasjon muliggjør dette karakterisering av deler og komponenter som tidligere ikke var tilgjengelige for karakterisering. Videre kan ytterligere miljøparametere som temperatur eller relativ fuktighet angis, noe som muliggjør karakterisering av svært små deler under et bredt spekter av miljøforhold som kan oppleves under drift.
Testing av medisinske nåler
Testoppsett:
A: Prøvefeste, B: Adapterhylse, C: Stempel, D: Lineær drift
Implementert oppsett med prøvefeste for sprøyter med valgfri adapterhylse, stempel og en konveksjonstemperaturenhet (CTD)
Resultater:
Figur 1: Fs-diagram for ufylte glass- og polymersprøyter ved 500 µm/s glidehastighet og romtemperatur
Bestemmelse av bruddkrefter og glidekrefter til to kommersielt tilgjengelige sprøyter ved bruk av et tilpasset testoppsett på UTM Micro.
Test utført ved to forskjellige glidehastigheter, og fire forskjellige temperaturer, med tre forskjellige injeksjonsvæsker.
Bilde 1: Testoppsett for medisinske nåler
Bestemme påvirkningen av omgivelsestemperatur, innføringshastighet og nåldiameter på kraften som trengs for å trenge gjennom skilleveggen til et forseglet hetteglass.
Figur 2: Påvirkning av innføringshastighet på innføringskraften til nålen med 1,2 mm diameter.
Torsjonsmekaniske egenskaper til nanokarbonfibre
(Kilde: W. Eom et al. – Karbon nanorør-redusert grafenoksidfiber med høy torsjonsstyrke fra reologisk hierarkikontrollDOI: doi.org/10.1038/s41467-020-20518-0 )
Testoppsett:
Tester utført i en UTM Micro utstyrt med SRF (solid rectangular fixture) tilbehør. Fibrene ble montert ved hjelp av et gitter.
Trinn 1: Last enkeltfiber på rutenettet
Trinn 2: Last prøven på fiksturen
Trinn 3: Kutt rutenettet på begge sider
Trinn 4: Test fiber
Resultater:
Figur 3: Torsjonsspennings-tøyningskurver for fibrene. Innfelt viser nærbilde av stammer fra 0 % til 10 %.
Måling av torsjonsstyrken til fire forskjellige typer nanokarbonfibre:
GF : Grafenoksid (GO) Fiber
HF : Hybrid GO/Karbon Nanorør (CNT) Fiber
D-GF / D-HF : Tegnet GF/HF
For å sammenligne resultatene med andre materialer når det gjelder skjærbruddstyrke og tetthet eller strekkfasthet, kan Ashby-plott brukes.
Kogging og hysterese dreiemoment og jerntap for motorer med subfraksjonelle hestekrefter
Testoppsett:
Bilde 2: Testoppsett for motorer med underfraksjonelle hestekrefter
Spesiell prøvefeste for feste av permanente magneter til rotorkopp i øvre motor (ω ≠ 0) og motorstator til nedre del (ω = 0).
Resultater:
Figur 4: Ekstraksjon av tannhjuls- og hysteresemomentet fra de målte med klokken (CW) og mot klokken (CWW) torsjonsmomentkurveformene (Trheo i grafen).
Måling av tannhjuls- og hysteresemomentbølgeformene til permanentmagnetmotorer med subfraksjonelle hestekrefter i området under Nm samt jerntapene. Dreiemomentmålinger med klokken (CW) og mot klokken (CWW) ved n = 1 rpm og økende rotasjonshastigheter.
Figur 5: Målt offset dreiemoment vs rotasjonshastighet og momentseparasjon.
Først ble torsjonsbølgeformer målt. Disse bølgeformene representerer superposisjonen av tannhjulsmomentet og hysteresemomentet, som kan trekkes ut matematisk.
En økning i tomgangsmoment ved høyere rotasjonshastigheter kan observeres på grunn av virvelstrømeffekter. Det målte offset-momentet kan dermed brukes til å bestemme de tilsvarende tomgangsjerntapene.
Bestemmelse av mekaniske egenskaper til balansefjærer
Testoppsett:
Balansefjæren ble limt til en nedre plate og den respektive tappen ble limt til den øvre målegeometrien (platen).
Resultater:
Deformasjon av balansefjæren for en hel omdreining i begge retninger med en rotasjonshastighet på 0,25 rpm. Beregning av lineær regresjon og bestemmelsesgrad (R²) i programvare.
Det er mulig å skille mellom forskjellige fjærer ved å sammenligne dreiemomentresten som en indikator for avvik fra ideell-lineær progresjon for kvalitetskontroll.
UTM Fixtures & Grips
Et svært bredt spekter av materialer og komponenter kan testes med en UTM. Ulike armaturer og grep er nødvendig for å feste komponentene sikkert under testing, og for å forhindre målefeil. Valget av armatur avhenger av testmetodene.
| Armatur | Testmetode |
|---|---|
| Parallell plate (PP) | Kompresjonstesting, torsjonstesting |
| Solid rektangulær armatur (SRF) | Strekktesting, rivetesting |
| Solid sirkulær armatur (SCF) | Strekktesting, rivetesting |
| 3-punkts bøying (TPB) | Bøyetesting |
| Universell forlengelsesarmatur (UXF) | Peel testing |
| Standardisert hullmønsterflens for montering av scener og selvlagde holdere | |
| Spesielle og spesialtilpassede armaturer (fikstur for sprøyter, mikromotorer, lagre, O-ringer, fjærer etc.) |
|
Ta gjerne kontakt med oss via dette skjemaet om du ønsker mer informasjon
Oversatt fra Anton Paars side om mekansik testing - denne finner du her
